第7章岩溶.ppt
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1、,第七章 岩 溶,主要内容,1概述,2岩溶发育机理,3影响岩溶发育的因素,4岩溶区水库渗漏问题,5岩溶地基稳定性问题,第一节 概述,一、定义,三、岩溶工程地质研究的意义,二、我国岩溶分布特征,第一节 概述,一、定义 岩溶:水(包括地表水和地下水)对可溶性岩石的破坏和改造作用叫岩溶作用。由此产生的地貌及水文地质现象的总称叫岩溶(喀斯特)。岩溶作用:以化学溶蚀为主,同时还包括机械破碎、沉积、坍塌、搬运等作用,是一个化学物理相结合的综合作用。可溶性岩石:包括碳酸盐岩、硫酸盐岩、卤化物等。,岩溶现象:1、形成独特的地貌大的地貌形态及蚀变:峰丛(溶蚀);峰林(溶盆);溶蚀平原 地表形态:正形态:石林、石
2、笋、峰林、孤峰。负形态:溶沟、溶孔、溶槽、溶水洞、漏斗、洼地、溶盆、溶原。地下形态:溶洞、溶隙、暗河。2、形成独特的水文地质现象 水文地质条件复杂化;透水性增大,流态 动态及不均匀性增大等。,第一节 概述,一、定义,第一节 概述,一、定义,第一节 概述,一、定义,第一节 概述,一、定义,第一节 概述,一、定义,第一节 概述,一、定义,第一节 概述,一、定义,第一节 概述,一、定义,贵州省毕节县的织金洞,原名打鸡洞。位于县城东北23公里处织金洞是一个多格局、多层次、多类型的高位旱洞,洞内岩溶生长独特,景物规模宏大,雄伟壮观,千姿百态,精妙绝伦。全洞初勘长12.1公里,面积达70万平方米,两壁最宽
3、处173米,垂直高度多在50至60米,最高处达150米。洞内空间开阔,地形起伏迭宕,岩溶堆积物达40多种,囊括了世界溶洞所有的形态类别。,贵州省毕节县的织金洞,第一节 概述,一、定义,第一节 概述,一、定义,“天坑”是岩溶(又称“喀斯特”)地区地下河运行形成大面积塌陷造成的,它与常说的“岩溶漏斗”不同,岩溶漏斗一般是斜坡,上宽下窄,天坑则是四壁岩石峭立,深度百米至数百米以上,犹如一个巨大无比的“桶”。这个“桶”,口径从近百米至数百米不等,容积从10万立方米至1亿立方米以上。天坑形状奇特,地处僻壤,坑上坑下林木葱郁,如果能进入“桶”底,更觉神奇。天坑在国内外均有发现。我国重庆开隆县、奉节县,四川
4、兴文县,广西乐业县、巴马县等地都先后发现了天坑,当地人分别称其为“石围”、“石院”、”岩湾”、“漩坑”、“龙缸”等,国外说法也不一样,一般称为Great doline(大漏斗)。我国有关专家认为称其为“天坑”最确切,故取名为“岩溶天坑”(Karst tiankeng),简称“天坑”。,第一节 概述,一、定义,第一节 概述,一、定义,第一节 概述,一、定义,第一节 概述,一、定义,二、我国岩溶分布特征,世界大陆75%为沉积岩,15%为碳酸盐岩,约4000万Km2为可溶岩。我国碳酸盐分布面积约为200万Km2,约占国土面积的20%。川、黔、桂、滇、湘、鄂等是我国主要的岩溶区。我国地跨热带、亚热带和
5、温带不同气候区,形成不同气候区独特的岩溶类型及特征。,第一节 概述,二、我国岩溶分布特征,第一节 概述,二、我国岩溶分布特征,第一节 概述,我国南方地区化学作用为主。地貌景观以石芽、石柱峰丛、峰林,大峡谷,溶洞等为特色。,二、我国岩溶分布特征,第一节 概述,云台山地处位于河南省修武县,我国北方地区气温低,溶蚀速度要慢很多,水不是参与作用的主要原因,而是以断裂、崩塌等物理因素为主的破坏。,二、我国岩溶分布特征,第一节 概述,二、我国岩溶分布特征,第一节 概述,溶洞中的石钟乳,溶洞中的石幔,河北邢台临城崆山溶洞,二、我国岩溶分布特征,第一节 概述,三、岩溶工程地质研究的意义,一方面,岩溶地区形成优
6、美的自然风景.充分利用岩溶洞穴作为地下工程等。另一方面,生态环境脆弱,水旱及地质灾害频繁发生。在该地区进行工程建设常常会遇到一些特殊的工程地质问题。主要有:岩溶渗漏,引发地区塌陷,造成坑道涌水、突水、滑落。,第一节 概述,据广西39个岩溶山地县统计,在已建的260座大水库中,有明显渗漏的(设计效益与实际效益相比低于80者)有92座。,1.水利水电工程:渗漏、溃坝、诱发地震,三、岩溶工程地质研究的意义,第一节 概述,2.道路工程 路基、站场、桥梁地基稳定性、地基塌陷 我国东部岩溶区,铁路4010公里,岩溶塌陷376处,近十年间中断车1860小时,颠覆列车3次。,三、岩溶工程地质研究的意义,第一节
7、 概述,2.道路工程 路基、站场、桥梁地基稳定性、地基塌陷 我国东部岩溶区,铁路4010公里,岩溶塌陷376处,近十年间中断车1860小时,颠覆列车3次。,三、岩溶工程地质研究的意义,第一节 概述,3.地下工程 涌水、突水、岩溶冒落,三、岩溶工程地质研究的意义,第一节 概述,3.地下工程 涌水、突水、岩溶冒落,三、岩溶工程地质研究的意义,第一节 概述,三、岩溶工程地质研究的意义,第一节 概述,4.工民建 地基稳定性、塌陷问题,4.工民建 地基稳定性、塌陷问题 自1977年至今,武汉地区先后发生6次岩溶地面塌陷:1977年,汉阳中南轧钢常堆料场塌陷;1988年,武昌陆家街塌陷和阮家巷塌陷;199
8、9年,毛坦村小学塌陷;2000年2月,武昌司法学校塌陷;2000年4月,青菱乡烽火村塌陷 1988年5月10日,武昌陆家街地面塌陷,圆形塌坑,直径22M,深10余米,十间民房、大树、电线杆等塌入坑中,引起附近工厂、学校、住宅墙体、地坪变形、开裂。,三、岩溶工程地质研究的意义,第一节 概述,2000年4月6日下午4时8时,洪山区青菱乡烽火村地面塌陷。陷坑18个,最大陷坑长63米、深67米;最小陷坑12长,深小于2米。陷坑带呈近东西向分布,散分在东西300米、南北250米的范围内。有2栋民房完全倒塌,有16栋民房出现不同程度的开裂、破损。,三、岩溶工程地质研究的意义,第一节 概述,2000年4月6
9、日武汉市洪山区青菱乡烽火村发生岩溶地面塌陷,三、岩溶工程地质研究的意义,第一节 概述,桂林至梧州市高速公路与桂林市外环高速路段相接处,发现大量岩溶塌陷。这一罕见的岩溶地面塌陷群发生在位于临桂县会仙镇马面村以南约2公里处正在施工的路基。有85个塌陷溶洞,分布在2公里长新辟的路基上,直径最小为1米,大至10多米,最浅的为1米,最深的3米多。,三、岩溶工程地质研究的意义,第一节 概述,三、岩溶工程地质研究的意义,第一节 概述,佛罗里达州温特帕克的岩溶塌陷,(a)开始沉下去不久,注意昂贵的赛车掉入坑内。(b)从空中看,这个坑几乎完全对称。(c)堵塞后的景观,落水洞地区现在成了一个城市公园。,1981年
10、5月8日,美国佛罗里达州Orlando的 Winter Park岩溶地面塌陷坑,直径达100m,三、岩溶工程地质研究的意义,第一节 概述,The Wink Sink,Kermit,Texas.The road and cars provide scale.,三、岩溶工程地质研究的意义,第一节 概述,岩溶地面塌陷坑,直径10m,深3.5m,桂林榕城饭店旁,1986年11月,唐山体育场,1988年,三、岩溶工程地质研究的意义,第一节 概述,岩溶地面塌陷破坏农田,三、岩溶工程地质研究的意义,第一节 概述,塌陷坑,三、岩溶工程地质研究的意义,第一节 概述,地面塌陷坑积水成“湖”、“塘”,三、岩溶工程地
11、质研究的意义,第一节 概述,参与岩溶过程的营力及岩溶过程很复杂。主要作用有溶蚀、侵蚀、重力坍塌、堆积、沉陷等。如地表水侵蚀、剥蚀、堆积;地下水溶蚀、机械潜蚀、堆积、沉陷;重力、气压坍塌、冲爆、吸蚀。,一、溶蚀过程,二、混合溶蚀效应,三、其他离子的作用,2 岩溶发育机理,一、溶蚀过程,碳酸盐为难溶盐,溶解度很低,如250C 时,溶解度为14.2mg/L,由于水的化学成分复杂,且随环境条件而复化,使得碳酸盐岩石处于长期、多变、多种溶蚀效应。溶蚀反应由表及里,地下岩溶优先并强烈发育的复杂体之中。涉及三相体系:固、水、气。,主要九个离子平衡体系:CO2,H2CO3,HCO3,CO32,Ca2+,CaH
12、CO3+,CaCO3,H+,OH,2 岩溶发育机理,溶蚀过程如下(以CaCO3 的溶解和沉积为例),由及,上述反应也可表示为离子平衡式:,化简为:,一、溶蚀过程,2 岩溶发育机理,上述表明:CaCO3 在水中溶解的实质是CO32-与H+结合生成HCO3-,因此H+的浓度是溶解的关键。天然水中,H+浓度很低,故CaCO3 在天然纯水中溶解很少,形成岩溶主要是因为水中含有过量的CO2,与水结合电离H+,促使CaCO3溶解。任何能在水中产生H+的物质均可能使CaCO3溶解。,一、溶蚀过程,2 岩溶发育机理,水中CO2主要取决于外界环境的补给。如大气、土壤的生物作用等。大气、生物、岩石、水构成一个岩溶
13、动态系统,岩溶是一个复杂的物理化学动态过程。,CaCO3溶解或CO2逸出 平衡,或析出CaCO3(沉淀)不平衡,CaCO3溶解 往复进行,一、溶蚀过程,2 岩溶发育机理,二、混合溶蚀效应,不同成分或不同温度的水混合后,其溶蚀能力有所增强的效应。1.两种不同饱和溶液的混合溶蚀效应 指两种或两种以上不同饱和度水溶液,在碳酸盐岩体内相遇,混合后的溶液较原来的溶液溶解性增强。水的溶蚀能力取决于水中侵蚀CO2的存在情况,右图中曲线表示平衡CO2与溶解CaCO3的关系。,两溶液的溶解度相差越大,相混合后,侵蚀性越大。实际上,自然界中溶液大都比较接近,相混合一般能再溶解1%-2%的CaCO3。,2 岩溶发育
14、机理,2.不同温度溶液的混合溶蚀效应,如果有两种温度不同而饱和度相同的水相混合,或一种水溶液由高温变为低温,都可以加大CO2的溶解度,从而加强溶液的溶蚀能力。这是因为温度由高降低时水对CO2吸收系数增大,同时用于饱和CaCO3所需的平衡CO2减少,多余的CO2转化为游离CO2。另一方面,温度降低同时又限制了溶液中分子的游动和扩散,减缓了溶解反应的速度。在地质条件特殊的部位,因上述原因,常使岩溶作用较之其他地方强烈。如,垂直渗入水与地下水相混合的地下水面附近;断层交错等地下水下渗流汇合点;河谷岸坡附近;温泉出露点附近等。,二、混合溶蚀效应,2 岩溶发育机理,三、其他离子的作用,天然地下水中成分较
15、复杂,大致有两类离子:一类是与碳酸盐岩溶解产生的相同离子,如Ca2+、Mg2+、CO32-等;另一类是不同的离子,如Na1-、Cl1-、SO42-等。这些离子对溶液的溶解性都有一定影响,即产生离子效应,如下:,1.酸效应 任何酸解离出H+后,溶液中H+浓度增加,H+和CO32-结合生成HCO31-,从而加速CaCO3 的溶解。如右反应式:,地质上含硫酸的岩层渗出的地下水有较大溶蚀性。,2 岩溶发育机理,2.同离子效应,3.离子强度效应,加入Ca2+或CO32-等同等离子后,减缓水对碳酸盐的溶蚀能力。,水中增加与CaCO3不相一致的强电解离子时,它们会以较强的吸引力吸引Ca2+及CO32-离子,
16、从而降低Ca2+与CO32-的引力,从而增大水对CaCO3的溶解性。,三、其他离子的作用,2 岩溶发育机理,凡是影响上述三个条件的因素均是影响岩溶发育的因素。,3 影响岩溶发育的因素,一、碳酸盐岩岩性的影响,二、气候的影响,四、地质构造的影响,三、地形地貌的影响,五、新构造运动的影响,具体表现在5方面:,一、碳酸盐岩岩性的影响,碳酸盐岩能否被溶解或溶解程度如何,主要取决于岩石的性质,如物质成分、化学成分、矿物成分及结构。碳酸盐岩是指碳酸盐矿物含量超过50%的一类沉积岩。主要化学成分是CaCO3、MgCO3、sio2等。常见的有:灰岩、白云岩、白云质灰岩、硅质灰岩、泥质灰岩等。,3 影响岩溶发育
17、的因素,不同岩石,其溶解性是不同的,可用两个指标表示:,一、碳酸盐岩岩性的影响,3 影响岩溶发育的因素,标准试样:方解石,要求试样尺寸相同,或粉碎的粒度大小一样,溶蚀在高浓度CO2的蒸馏水中。KV及KeV越大,说明岩石的溶蚀强度和溶蚀速度也越大。研究表明:方解石含量越高CaO/MgO比值越大,KV及KCV越大;酸不溶物含量越高,KV及KeV越小。含有石膏、黄铁矿等的碳酸盐岩KV大。含有机质、沥青等杂质的碳酸盐岩KV小。,一、碳酸盐岩岩性的影响,3 影响岩溶发育的因素,一、碳酸盐岩岩性的影响,3 影响岩溶发育的因素,矿物结晶越小,KV越大。一般而言,泥晶粒屑亮晶。,一、碳酸盐岩岩性的影响,3 影
18、响岩溶发育的因素,二、气候的影响,1.降水的影响:(1)水直接参与岩溶作用,充足的降水是保证岩溶作用强烈进行的必要条件。(2)水是溶蚀作用的介质和载体,充足的降水保证了水体的良好的循环交替条件,促进岩溶作用的强烈进行。,3 影响岩溶发育的因素,2.温度的影响:(1)温度升高,水中的CO2的溶解度减小,不利于岩溶作用。一般,水温升高200-300 C,溶于水中的CO2减少一半。(2)温度升高,生物新陈代谢加快,释放更多的CO2带入水中,同时温度升高,化学反映速度大大加快,有利于岩溶作用。一般温度升高100 C,化学反应速度加快一倍。总体上:温度的升高有利于岩溶作用的进行。,二、气候的影响,3 影
19、响岩溶发育的因素,温热潮湿的热带、亚热带地区:岩溶作用较强烈高寒干旱的地区:岩溶不发育 不同气候条件下,岩溶速度、形态、类型都明显不同,二、气候的影响,3 影响岩溶发育的因素,2.温度的影响:,如溶蚀速度:广西:0.12-0.13mm/a;湖北:0.06mm/a;河北:0.02-0.03mm/a。,岩溶形态差别:广西热带溶蚀为主,地表地下岩溶充分强烈,形态诸全;湖北、湖南、四川等地 岩溶发育,以溶丘、溶洞、漏斗为特征。河北、山东、山西等地 不太发育,侵蚀为主,几乎不发育封闭溶蚀地形,以地下隐伏岩溶为主。,二、气候的影响,3 影响岩溶发育的因素,2.温度的影响:,三、地形地貌的影响,地形地貌条件
20、通过影响水的入渗,循环交替条件,进而影响岩溶发育的规模、速度、类型及空间分布。例如:区域地貌格局,宏观上控制了某地区的地表水文网及地下水排泄基准面的性状和分布,从而控制了地表地下水的运动趋势,进而控制了岩溶发育的总体形式。地形平缓地貌较之地形较陡地貌,地表径流缓慢,入渗量较大,有利于岩溶发育。不同地貌条件,因其垂直入渗带埋深和水平径流程度的不同,垂直岩溶形态及水平岩溶形态的明显差别。地形高差大大影响地下水补、排条件,影响岩溶发育的深度。,3 影响岩溶发育的因素,四、地质构造的影响,1.断裂的影响 成岩、构造、风化、卸荷等作用形成的各种破裂面,为地下水入渗和流动提供了通道,同时为地下水有效向深部
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